生物质热转化过程飞灰沾污结渣控制及脱除研究

发布时间：2020-07-22 06:24

【摘要】：生物质热化学转化过程所产生的大量的生物质飞灰在高温时易发生熔融粘结和挥发,很容易对锅炉和相关设备受热面造成沾污结渣和腐蚀等危害,从而对生物质热转化系统的安全稳定运行产生严重威胁。因此,对生物质飞灰的沾污结渣控制及其脱除等问题展开研究具有重要的现实意义。本文从现有研究中存在的问题出发,针对生物质热转化过程由飞灰引起沾污结渣和腐蚀等危害的防范与控制,对生物质在不同热化学转化过程中产生飞灰的颗粒特性、生物质的热解行为以及减少飞灰产生的最优化条件、不同生物质灰的烧结和熔融粘结特性、沾污结渣特性及其内在碱/碱土金属的热迁移和转化规律、生物质飞灰颗粒在高温旋风除尘器中的捕集和脱除等关键科学问题展开了深入且系统的基础性研究,取得了一系列的研究成果。首先以玉米芯、花生壳、稻壳、稻秆等4种常见的生物质为研究对象,从生物质热转化过程飞灰的颗粒特性研究入手,利用激光粒度分析仪、X射线荧光谱仪、X射线衍射仪等检测技术对比研究了生物质在燃烧和气化过程所产生飞灰的颗粒粒度、化学组成、晶相结构、元素赋存状态等特性,结合检测结果分析了温度对其矿物学特性的影响,并利用马弗炉灼烧实验考察了温度对灰分含量的影响,以期为防治飞灰沾污结渣、优化高效除灰措施夯实基础。结果表明灰化温度升高,生物质飞灰颗粒的粒度降低,而且灰中简单的矿物晶相发生化学反应而逐渐导致低熔点共晶体的生成;相同灰化条件下,玉米芯灰中K、Na等碱金属的含量最高,其次为稻秆灰和花生壳灰,稻壳灰最低;生物质气化过程中析出K的主要形式是KC1,气化灰的沾污结渣程度明显高于其灼烧灰。然后利用热重-质谱联用技术研究了生物质在热转化过程中的热解行为特性,探讨了升温速率、颗粒粒度、气体流速等参数对生物质热解及其动力学的影响,在保证热转化效率的前提下,探讨了减少飞灰杂质产生的最优化条件,可为生物质的热解参数优化及从根本上减少飞灰杂质产生等提供科学依据。挥发分释放特性指数玉米芯稻秆稻壳花生壳,采用Coats-Redfern法对动力学处理得到的结果与热重实验保持良好的一致性;升温速率和气体流速增加,最大失重速率增大;粒度d≤450 μm时颗粒的总失重率随粒度增大而增加;该实验条件下粒径为154～280μm的试样在升温速率为20℃/min、气体流速为30-60 mL/min时制备生物质燃气的效果最佳,所产生的飞灰杂质相对最少。随后通过马弗炉灼烧、灰熔融测试、热重差热分析等技术研究了不同热转化来源生物质灰的烧结和熔融粘结规律,对比分析了灰化温度、成灰方式、热解气氛等对灰熔融特性的影响。结果发现灰化温度越高,灼烧时间越久,生物质的灰分含量越低,而其灰熔点升高;温度高于600℃时,生物质灰样出现烧结结构,815 ℃时,随灼烧时间增加,灰粒表面逐渐熔化;同一温度下灼烧时,灰颜色先由黑变为灰白,最后呈浅红;气化灰的熔融过程具有分段失重机制,其总失重和最大失重速率随氧含量升高而增加;灼烧灰在有氧气氛中熔融时出现分段失重规律,而惰性气氛中未见明显的分段规律。在上述研究的基础上,利用扫描电子显微镜和能谱分析联用技术对生物质灰在沾污结渣过程中的微观结构演化以及碱/碱土金属的热迁移和转化规律进行了研究,同时基于飞灰的颗粒特性、烧结和熔融粘结特性、微观结构演化等分析结果深入探讨了生物质灰的沾污结渣机理,提出了有效减少沾污结渣的新途径和新措施,并运用多指标判别法对不同生物质灰的沾污结渣倾向进行了预测和对比,获得了灰化温度对沾污结渣及碱/碱土金属热迁移的影响。灰化温度升高,生物质灼烧灰中出现明显的团聚结渣,灰渣表面逐渐有碱金属物质析出并以熔融态存在,进一步加剧灰沾污结渣现象,而生物质气化灰熔融时,氯化物从飞灰颗粒内部析出并移向外表面,这是造成渣块内部多孔和外部凸起结构的主要原因。最后针对生物质气化站旋风除尘器内高温流场运动复杂、飞灰颗粒浓度测量受限等问题,基于计算流体动力学原理,提出了对高温气相流场采用RNG-RSM联用的强旋湍流模型,对颗粒场采用多相流-单元内源项颗粒群模型,以气化炉产出的高温粗燃气为研究对象,借助FLUENT软件应用气体-颗粒耦合数学模型对高温旋风除尘器内风流-飞灰耦合运移规律进行了模拟研究,获得了高温强旋湍流场的三维速度分布和飞灰颗粒的浓度分布规律,较好地预测了高温燃气进口速度与分离效率的关系,结果表明分离效率随燃气进口速度的增加而呈现先升后降的趋势,模拟结果与相关实验数据吻合较好,结合数值模拟结果提出了适用于高温旋风除尘器捕集和脱除生物质飞灰颗粒的优化措施和建议,以减轻后续设备的沾污结渣程度,这对于工程实际具有重要实用价值。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X701;TK6
【图文】：

过程图,碳循环,纽带,过程

在能源转化利用过程中，生物质燃料被消耗，同时释放出Ｃ０２，而生物质在进行光逡逑合作用时又可以从空气中吸收等量的Ｃ０２，进而是碳元素返回到土壤中，这就保持了人逡逑气中Ｃ０２的基本平衡。图１．１表示以绿色植物为纽带的碳循环过程ｍ，由该图可以看出，逡逑大气中的Ｃ０２通过植物的光合作用进入到植物体内，一部分又通过食物链进入到动物体逡逑内，然后通过生物质热转化、生物转化降解、动物呼吸等方式回归到大气中，进而形成逡逑碳兀素的循环链。闪此，从碳循环的角度来说，生物质能还属于可以实现ｃｏ２“零排放”逡逑的可再生绿色能源，其开发与利用越来越为人们所重视。逡逑—？逦Ｃ０，逦■＊—逡逑Ｉ太阳能ｈ逦—Ｔ－逡逑一＋光合作Ｍｊ逡逑＾Ｉ逡逑，邋ｔ邋，逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑生物质热转化＾逦绿色植物－★降解逦呼吸逡逑N逡逑动物邋一逡逑１逡逑图１．１以绿色植物为纽带的碳循环过程１３１逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｃｙ邋ｃｌｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ａｔ邋ｔｈｅ邋ｂｒｉｄｇｅ邋ｏｆ邋ｇｒｅｅｎ邋ｐｌａｎｔｓ１邋１逡逑生物质资源的形式繁多，通常包括１４１：木材和林产加丨：业废弃物、农业生物质废弃逡逑－１邋－逡逑

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逦第丨章绪论逡逑图１．４国外的生物质气化装置（ａ）意大利工业用的气化炉｜１５１；邋（ｂ）印度实验用的气化炉［１６１逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｐｉｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｇａｓｉｆｉｅｒｓ邋（ａ）邋ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋ｇａｓｉｆｉｅｒ邋ｉｎ邋ＩｔａＫ１邋（ｂ）邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｇａｓｉｆｉｅｒ邋ｉｎ邋Ｉｎｄｉａ１１１逡逑在国内方面，２０丨Ｕ：纪８０年代中期，中国自主研制了由固定床穴化炉和内燃机组成逡逑的稻壳发电机组，形成丫邋２００邋ｋＷ的稻壳气化发电机组的产品并得到推广。２０世纪９０逡逑年代中期，山东省科学院能源研究所建成我国第－个生物质气化站，带动了相关技术的逡逑飞跃发展，目前我国己经建成了多座生物质气化站图１．５所示即为目前国内应用逡逑最多、分布最广的典型生物质气化站的现场图，该照片分R%表示沈阳市棋盘山闫家村牛邋．逡逑物质气化站（图１．５（ａ）和（ｂ））和沈阳市辽中县黄土坎村生物质气化站（图１．５（ｃ）和（ｄ））。逡逑ｉｉＨ逡逑图１．５中国典型的生物质气化站（ａＭｂ）：辽宁省沈阳市闫家村气化站；（ｃ）－（ｄ）：辽中县黄土坎村气化站逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｂｉｏ

照片,旋风除尘器,焦油,灰渣

管是爆炸事故还是中毒事故，一旦事故发生都会造成严重的人员伤亡与重大的财产损逡逑失。因而，诸如此类事故必须引起足够的重视。逡逑图１．７所示为生物质气化站旋风除尘器在高温流场中被飞灰沾污结渣而腐蚀损坏的逡逑实物照片。从该图可以看出，因为沾污结渣而造成的腐蚀严重，旋风除尘器己经出现破逡逑损，为了防止生物质燃气的泄漏，不得不停炉并更换新的除尘器。逡逑＿逡逑图１．７生物质气化站被高温飞灰沾污结渣而腐蚀损坏的旋风除尘器逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｃ＼ｃｌｏｎｅ邋ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ邋ｄａｍａｇｅｄ邋ｂ＞邋ｔｈｅ邋ｆｏｕｌｉｎｇ，邋ｓｌａｇｇｉｎｇ，邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ邋ｏｆ邋（＼ｙ邋ａｓｈｅｓ邋ａｔ邋ｈｉｇｈ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｉｎ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｓｔａｔｉｏｎ逡逑生物质经热转化后剩余的生物质灰的大量排放还会造成土壤污染以及资源浪费，而逡逑且在生物质气化站，净化后焦油的处理以及资源化利用问题也是完善生物质气化系统必逡逑须考虑的问题。图１．８（ａ）和１．８（ｂ）分别为生物质气化站现场废弃的生物质灰渣以及焦油。逡逑热转化后残留的大量生物质灰以及焦油等若不及时合理地处理，对环境也将造成严重污逡逑染。Ｖａｓｓｉｌｅｖ等１２４１估算出全球每年仅直接燃烧产生的生物质灰量就高达４．７６亿ｔ，这些逡逑生物质灰的成分复杂

【参考文献】